自平衡两轮机器人系统本身是一个非线性、强耦合并且具有多个变量的不稳定系统。因为本身的特殊性使得其具有独特的结构特点，不仅有较低的制造成本还有较小的体积。而且已经被广泛的应用在了服务、工业、商业等领域，同时也给控制理论的应用提出了更高的要求，使它成为检验各种控制理论和控制方法的理想平台。自平衡两轮机器人是一个两轮同轴的系统，其依靠倾角传感器和陀螺仪来分别监测倾角和倾角变化速率以维持自身的平衡和稳定。本文首先对该系统的简要模型进行了一定的理论研究，同时对系统的能控性和能观性进行了分析，然后研究了系统的整体稳定性，并针对系统自身的不稳定特性和难控性，提出了对系统进行解耦的方法，并对解耦后的两个子系统进行实时控制。本文首先用MATLAB软件对系统相应的数学模型进行建模，并对LQR控制算法进行了仿真研究，然后针对最优控制中权阵选择的问题，通过遗传算法对最优控制中的权阵参数进行必要的优化，并把优化后的参数用于系统控制器的设计。最后，对系统中所设计的控制器进行了一定的仿真，并完成了应用于固高公司生产的一款型号为GBOT1001的自平衡两轮机器人中的实验，通过对其进行实时的直行和转弯的运动控制的分析，验证设计控制器的可行性和实用性。